全球及中国近海海平面变化趋势研究进展及展望

海平面变化是全球气候系统变化的一个组成部分,是环境变化的重要指标,也会影响沿海区域及岛屿的生态环境甚至存亡.全球海平面变化由海水质量变化和比容海平面变化构成.海水质量变化主要是由于两极冰盖和高山区的冰川融化流入海洋所致;比容海平面变化是由海水的温度和盐度变化所引起的,其中温度变化是最主要的因素.本文介绍了海平面变化各种监测技术的发展过程,并对海平面变化的研究现状进行了总结.所有研究成果均表明,近100多年以来,全球海平面一直处于上升态势;近几十年以来,海平面呈现加快上升并且越来越快的趋势.目前仍然存在一些问题:人们还没有完全掌握海平面变化规律,对未来海平面变化预测有较大不确定性;深海缺乏实测数据;厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的变化规律以及对海平面的影响;GRACE陆地与海洋信号无法完全分离以及GRACE与GRACE-FO之间的一致性分析等.这些问题都需要进一步开展研究.     

强震前海平面异常变化特征研究

使用渤海沿岸8个验潮站的海潮潮位观测资料,根据近海或沿岸地区强震前后海平面变化的实例,分析了海平面变化的前兆意义。资料证实,大部分近海大地震前局部海域存在着可以识别的海平面异常变化。通过周期分析方法和潮汐分析方法来消除各种周期及非周期因素的影响,可以显示出地壳垂直形变的变化,分析结果表明,渤海沿岸的海平面变化不仅具有丰富的地质构造活动信息,而且可能反映较大地震前后的地壳形变过程。提取海平面地壳垂直形变信息对较大地震的预报和与海洋有关灾害的预测有重要意义。     

塔里木盆地奥陶纪碳酸盐岩碳、锶同位素特征及其对海平面变化的响应

塔里木盆地塔中地区奥陶纪自东而西沉积环境由盆地到斜坡再向碳酸盐台地转变,与广海沟通良好,其碳酸盐岩同位素组成代表当时海洋水体的同位素组成.根据对塔中地区奥陶系碳、锶同位素组成的测定,探讨了其与海平面变化的关系,碳同位素与海平面变化呈正相关.而锶同位素组成与海平面变化呈负相关.这一结论与全球碳、锶同位素变化对海平面变化的响应是一致的,塔里木盆地奥陶纪海平面变化与全球海平面变化的规律也是一致的.     

海平面变化与地震关系初探

利用烟台、龙口、塘沽、秦皇岛、葫芦岛等海潮测站的海平面资料，对渤海沿岸海平面变化进行了分析研究，总结了几次较大地震前后海平面变化的特点。分析认为海平面变化与较大地震的发生有一定的关系，较大地震前后一般会产生地壳形变现象，地壳形变可以通过海平面的变化估算出变化的量值。     

近十年全球平均海平面变化成因的卫星重力监测研究以及与ENSO现象的相关分析

全球平均海平面年际变化中最突出的信号是由厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)引起的.本文利用卫星测高、GRACE卫星重力、Argo海洋温盐实测数据、冰川消融质量数据和MEI指数,研究了全球海平面长期变化和年际变化的成因以及ENSO现象对海平面年际变化的影响.本文发现冰川消融贡献了海水质量变化的长期变化部分,其中格陵兰和南极洲的冰盖消融起主导作用.2003-2014年间,几次较大的厄尔尼诺以及拉尼娜现象均引起了海平面年际变化的响应.由于2010年强烈的拉尼娜现象,导致全球海平面下降了8 mm左右,同时期质量引起的海平面变化下降了6 mm,而比容海平面下降了2 mm.同时间段内,总的海平面年际变化、海水质量年际变化部分和比容海平面年际变化部分均与ENSO存在较高的相关性,测高得到的海平面年际变化、GRACE得到的海水质量年际变化和Argo浮标得到的比容海平面年际变化与MEI的相关系数分别达到0.41、0.48和0.56(置信度95%).经过对Argo分层实测数据分析,发现ENSO现象能够影响赤道太平洋区域0~300 m的海深的海水温度.     

根据生物礁定量计算茅口期全球海平面变化幅度

系统提出了根据生物礁结构相序列定量计算古代全球海平面变化幅度的方法, 特别是设计了一种去除沉积物载荷造成的基底沉降的新方法. 根据生物礁结构相序列计算全球海平面变化幅度在原始地层厚度恢复、基底载荷沉降幅度计算、古水深恢复等方面比用其他沉积物精度更高. 根据中国广西隆林生物礁计算出, 中二叠世茅口期(Neoschwagerina-Yabeina 带)全球海平面上升幅度为249.2 m, 而根据美国Guadalupe礁的资料计算出, 茅口期全球海平面变化幅度为247 m. 此方法使定量研究古代全球海平面变化真正成为可能, 从而使建立新一代、定量的全球海平面变化曲线成为可能.     

冰盖消融的海平面指纹变化及其对GRACE监测结果的影响

全球变暖背景下的冰盖消融以及由此带来海平面上升日益明显,直接影响地球表面的陆地水质量平衡,以及固体地球瞬间弹性响应,研究冰盖质量变化的海平面指纹能够帮助深入了解未来海平面区域变化的驱动因素.本文基于海平面变化方程并考虑负荷自吸效应（SAL）与地球极移反馈的影响,借助美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research,CSR）发布的2003年到2012年十年期间的GRACE重力场月模型数据（RL05）,结合加权高斯平滑的区域核函数,反演得到格陵兰与南极地区冰盖质量变化的时空分布,并利用海平面变化方程计算得到了相对海平面的空间变化,结果表明：格陵兰与南极冰盖质量整体呈明显的消融趋势,变化速率分别为-273.31 Gt/a及-155.56 Gt/a,由此导致整个北极圈相对海平面降低,最高可达约-0.6 cm·a^-1;而南极地区冰盖质量变化趋势分布不一,导致西南极近海相对海平面下降,而东南极地区近海相对海平面上升,最高可达约0.2 cm·a^-1.远离质量负荷区域的全球海平面以上升趋势为主,平均全球相对海平面上升0.71 mm·a^-1,部分远海地区相对海平面上升更加突出（例如北美与澳大利亚）,高出全球平均海平面上升速率将近30%.此外,本文也重点探讨了GRACE监测冰盖消融结果中由于极地近海海平面变化导致的泄漏影响,经此项影响校正后的结果表明：海平面指纹效应对GRACE监测格陵兰与南极地区2003-2012期间整体冰盖消融速率的贡献分别为约3%与9%,建议在后期利用GRACE更精确地估算研究区冰盖质量变化时,应考虑海平面指纹效应的渗透影响.     

海平面对大气压变化的空间响应

海平面对大气压变化的响应在理想情况下接近均衡态海洋响应.在这个假设下,任何海域的大气压变化都会瞬时传播到整个海洋上.通过比较大气压和海平面变化的标准差,可以发现,在空间尺度上,大气压变化主要是长波信号,而海平面变化除了长波信号外,还存在明显的短波长信号.由大气压变化驱动的海平面变化应与大气压变化在空间尺度上具有一致性.因此,可以对海平面数据进行空间高斯低通滤波,来得到与大气压变化更相近的空间标准差分布.通过阶振幅谱分析,表明海平面对大气压变化响应的空间尺度为800 km.     

中国近海海平面季节尺度变化的时频分析

用连续小波变换方法，对中国近海验潮站资料(20～30a)和Topex/Poseidon卫星测高海平面变化资料(1992年10月～1998年9月)进行分析，给出了南海、黄海和东海海平面变化在季节尺度上的时频特征. 结果表明，黄海和东海的海平面变化较相似，存在显著的周年和准双月的振荡信号；南海具有较明显的周年信号和较弱的半年周期信号；浅海区和深海区的海平面季节尺度变化在周期性与强度上存在明显差异.     

1994-2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析

鉴于卫星测高技术在南极周边海域会受到海面浮冰影响,且在利用测高序列分析海平面周期性动态变化时还会受到潮汐周期混叠效应的影响,为此,本文开展了基于GPS和验潮数据联合的南极大陆附近海域从1994-2014年间海平面的绝对变化研究.研究结果显示：在围绕南极大陆及附近海域的15个验潮站中,海平面绝对变化速度最大的是Diego Ramirez验潮站,达到11.10±0.04 mm·a^-1;在西南极南极半岛的德雷克海峡,海平面变化最为活跃,变化均值在8.31±0.05 mm·a^-1;在东南极,从Syowa站依次到Casey站,海平面的绝对变化速度相对平稳,四个潮位站海平面变化均值为3.35±0.04 mm·a^-1;在罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近,由于冰川崩解入海导致Scott Base站处的海平面上升速度较快,达到了9.61±0.07 mm·a^-1.综合15个验潮站计算结果可得南极半岛德雷克海峡和罗斯岛附近海域,海平面绝对变化速度要高于同期南大洋海平面绝对变化速度,而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.这也进一步反映了南极不同海域间海平面变化的差异性,相比较于对南大洋海平面变化的一个整体研究,分区研究海平面变化更具针对性,能更好地了解南极不同区域冰盖、冰架崩解和消融的情况.     

地震前海平面异常变化和机理研究

根据国内外沿海大地震前后海平面变化的实例,分析海平面变化的前兆意义。资料证实,大部分近海大地震前存在局部海域可以识别的海平面异常变化。１９世纪以来,世界各地的验潮站记录了大量与地震有关的海平面变化实例,为定量分析提供了可能。最有代表的标准震例是１９４１年１１月葡萄牙亚速尔群岛８．３级大地震,我国渤海１９６９年７月在８日７．４级地震前后烟台站的验潮记录也显示出显著异常。海域构造环境和地震发生机制不同     

切比晓夫滤波器在海平面资料处理中的应用——阳江地震前后闸坡站的海面变化

海平面变化对于反映地壳升降有重要意义,因此可以作为预报地震的一个途径。但影响海面变化的因素很多,许多人为提取其中有关地壳形变信息进行了各种探索,概括地有进行气压、风、海水温度等几项因素的多元回归分析的绝对校正及为了消除气象与     

华南沿海海平面的变化速率

应用回归分析和切比雪夫拟合二种方法，根据验潮资料研究了华南沿海海平面的变化速率，进而结合区域研究近２０年来华南海平面的变化特征，并讨论了将其用于地震趋势分析的可能性。     

1950～2020年中国沿海海平面上升

验潮站能够观测海平面长期变化,并被用于重构全球平均海平面上升.然而,中国沿海区域的海平面长期变化尚未被揭示.本文构建了一种数据同化方法,可以重构中国沿海地区1950年以来的海平面上升.该方法以全球验潮站观测为约束,同时利用气候模式输出的动态海平面和陆地水质量迁移导致的海平面指纹效应.本文重构的全球平均海平面上升与之前的研究结果接近.中国沿海地区20个验潮站的重构结果显示,1950～2020年中国沿海平均海平面上升速率为(1.95±0.33)mm a^-1,高于同时期的全球平均上升速率(1.71±0.17)mm a^-1.此外,本文还发现,中国沿海平均海平面上升速率在1980年以后是之前速率的3倍以上,速率从1950～1980年的(0.84±0.28)mm a^-1增加到1980～2020年的(3.12±0.21)mm a^-1.该发现说明中国沿海海平面存在显著的加速上升,这些结果增进了对中国沿海海平面长期变化的理解与认识.     

全球水质量迁移对海平面空间模式周年变化的影响

大气、陆地水和海洋之间的水质量迁移对海平面的影响一般假定为均匀薄层分布.但实际上,水质量负荷重新分布一方面会使地壳产生形变,另一方面会引起重力位势场变化(引力位和离心力位),这都会对海平面时空变化特征产生影响,两方面之和称为负荷自吸引效应(SAL).海洋模式模拟的时变洋底压力结果一般符合Boussinesq假设即体积守恒,忽略了大气、陆地水和海洋之间水质量交换的影响.本文基于海平面变化方程,联合陆地水模型、大气地表气压模型、海洋洋底压力模型和GRACE反演的冰川质量变化,详细讨论了2003-2010年SAL对海平面周年变化的影响.主要结论有:(1)SAL对全球海平面周年变化有显著影响,振幅在1.3~19 mm.其中近海岸和低纬度区域受影响较大.(2)在SAL引起的海平面周年振幅变化的因素中,陆地水储量变化因素最大,大气因素次之,非潮汐海洋影响最小.但非潮汐海洋对海平面周年相位空间变化的影响最为复杂.(3)通过与国际长期验潮站观测数据结果比较,在ECCO海洋模式估计的洋底压力结果中引入SAL,能多解释约5.3%观测信号方差.     

四川江油马角坝地区石炭纪地层磁化率特征与海平面相对变化研究

马角坝地区是研究四川盆地乃至上扬子地区石炭系沉积特征的经典地区之一.研究马角坝地区石炭系磁化率特征与相对海平面的变化,可为研究相关区域石炭纪沉积特征以及地层划分对比等问题提供依据.本文在四川江油马角坝地区石炭系经典碳酸盐岩剖面连续古地磁采样,共获得179块供测试磁化率的样品,在室内对所有样品进行了磁化率测量与磁化率特征分析,获得了该剖面连续的磁化率数据.利用剖面连续的磁化率变化特征推演海平面相对变化,识别出6次完整的海进-海退记录,由此对研究区石炭系划分出6次海平面变化旋回.     

中国近海海平面变化特征分析

用经验正交函数分析方法,对中国近海14年多的测高海平面同化格网资料进行分析,给出了黄海、东海和南海各海平面变化主要主成分的空间变化和时间变化特征.用标准Morlet小波变换方法分析了各海区主成分时间变化序列的时频特征.分析结果表明,各主成分的空间分布特征与当地的海洋环流或洋流特征相对应.时频分析结果显示,中国近海海平面变化的显著周期主要为年周期信号.其次,黄海和东海还显示准2个月的非稳态信号,东海和南海具有较显著的半年周期信号,东海半年周期信号的能量不稳定.此外,在南海及台湾东部海域,首次发现存在较为显著的准540天周期信号,其动力学机制目前尚不明确.坎门和西沙验潮站资料的时频特征分析也验证了该信号的存在.最后本文给出了中国近海海平面在1993~2007年间的平均上升速率和其区域分布特征.     

集成奇异谱分析和自回归滑动平均预测日本近海海平面变化

本文从日本沿岸选取了28个验潮站及联测的GPS站,利用奇异谱分析（Singular Spectrum Analysis,SSA）和SSA+自回归滑动平均（Auto Regression Moving Average,ARMA）方法预测了2014—2018年的近海海平面变化和地壳垂直变化.并用同时段的验潮及GPS的实际测量值进行验证,结果显示,SSA+ARMA预测的相对海平面精度为0.0357~0.0607 m,地壳垂直运动的精度为0.0049~0.0077 m,绝对海平面的精度为0.0433~0.0683 m,且三者SSA+ARMA的预测结果均优于只用SSA预测的结果.在此基础上本文利用SSA+ARMA预测了日本沿岸2019—2023年的近海绝对海平面变化,结果显示,2019—2023年的平均海面高较往年（2014—2018）升高0.0353 m,2003—2023年绝对海平面的变化率为0.0039 m·a^-1,预测结果较为理想.     

集成奇异谱分析和自回归滑动平均预测日本近海海平面变化

本文从日本沿岸选取了28个验潮站及联测的GPS站,利用奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis, SSA)和SSA+自回归滑动平均(Auto Regression Moving Average, ARMA)方法预测了2014—2018年的近海海平面变化和地壳垂直变化.并用同时段的验潮及GPS的实际测量值进行验证,结果显示,SSA+ARMA预测的相对海平面精度为0.0357～0.0607 m,地壳垂直运动的精度为0.0049～0.0077 m,绝对海平面的精度为0.0433～0.0683 m,且三者SSA+ARMA的预测结果均优于只用SSA预测的结果.在此基础上本文利用SSA+ARMA预测了日本沿岸2019—2023年的近海绝对海平面变化,结果显示,2019—2023年的平均海面高较往年(2014—2018)升高0.0353 m,2003—2023年绝对海平面的变化率为0.0039 m·a~(-1),预测结果较为理想.     

北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性

2006-2013年北半球频遭低温暴雪袭击.引力模型的计算结果表明:北极冰盖大量融化导致北极地区海平面和大气等位面的大幅度下降,压力变化迫使北极地区冷水和冷空气流向北半球中低纬度地区.太平洋海温下降导致全球变暖停止.极地冰盖融化后全球海平面都将上升,这是一个错误的观点.最新模型研究表明,如果格林兰冰盖融化可导致其附近海平面将下降100 m,北苏格兰的海平面将下降3 m,冰岛周围海平面将下降10 m,南美部分地区海平面将上升10 m.冰盖融化导致地表巨量物质转移,改变了地球内外重力场,地球内核南移100m,北极和南极海平面分别下降和上升7 cm.在海平面附近,大气等位面的变化幅度与海平面变化幅度非常接近.近期北极海冰和冰盖的融化只是最新模型的一个缩影.北极大量冷水和冷空气在下降等位面的压力下流过北半球中低纬度地区,导致北半球频遭低温暴雪袭击.在"全球变暖间断"现象持续了长达16年之后,科学家正全力探究"全球变暖间断"现象背后的深层次原因.最新研究指出,1997-1998年赤道太平洋进入一个持续很久的低温状态,抑制了全球变暖的速度.海水温度的波动被称作拉马德雷现象(PDO),这种现象是解开"间断"谜团的关键.